DE2623290A1

DE2623290A1 - Verfahren zur herstellung von trichlorsilan und/oder siliciumtetrachlorid

Info

Publication number: DE2623290A1
Application number: DE19762623290
Authority: DE
Inventors: Johann Braunsperger; Winfried Dipl Chem Dr Lang; Phorgerd Zainer
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 1976-05-25
Filing date: 1976-05-25
Publication date: 1977-12-08
Also published as: FR2352747A1; US4130632A; GB1577058A

Description

WACKER-CHEMITRONIC 9 München, den 20. 4. 1976

Gesellschaft für FE/Pat/Dr.F/sm

Elektronik-Grundstoffe mbH

Wa-Ch 7602

Verfahren zur Herstellung von Trichlorsilan und/oder Silicxumtetrachlorid

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Trichlorsilan und/oder Siliciumtetrachlorid durch Umsetzung von metallischem, aluminiumhaltigem Silicium bei 260 bis 1200° C mit Chlorwasserstoff beziehungsweise Chlor und nachfolgender Auftrennung des entstehenden Reaktionsgemisches.

Rohsilicium enthält bis zu 2 Gew.% Aluminium und Eisen als Verunreinigungen. Bei der Herstellung von Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid aus Rohsilicium und Chlorv/asserstoff setzen sich diese Verunreinigungen zu Aluminiumchlorid (AlCl.,) und Eisenchlorid (FeCl„) um. Unter den üblichen Reaktionsbedingungen, bei Temperaturen über 260° C tritt im Gegensatz zum festen Eisenchlorid alles Aluminiumchlorid auf Grund seines relativ hohen Dampfdruckes gasförmig aus der Reaktionszone aus und scheidet sich in Form einer weißen bis gelblichen Kristallmasse an den Wänden des sich an die Reaktionszone anschließenden Auftrenn- und Kondensationssystems ab. Bei der Reaktion von Rohsilicium mit Chlor, bildet sich neben Aluminiumchlorid noch Eisentrichlorid (FeCl.,) , welches sich entsprechend verhält. Hierdurch wachsen die Rohrleitungen zu und die verwendeten Kühler werden verlegt. Als Folge müssen oft bereits nach kurzer Zeit die Rohrleitungssysteme geöffnet und von auskristallisiertem Aluminiumchlorid befreit werden. Aufgrund der extrem leichten Hydrolysierbarkeit von Trichlor-

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silan, Siliciuixitetrachlorid und Aluminiumchlorid, sowie der Brennbarkeit des Trichlorsilans und der in Nebenreaktionen entstehenden hochsiedenden Chlorsilane v/erden hierdurch neben allgemeinen arbeitshygienischen Problemen auch ganz erhebliche Kosten verursacht. Als Kühler müssen zudem großflächige Kühler oder Kratzkühler eingesetzt -werden, bei denen der sich bildende Wandbelag durch rotierende Einbauten ständig abgeschabt wird. Die Ausschleusung des abgekratzten Feststoffes sowie die Kapselung der Wellenführung ist dabei besonders problematisch.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Herstellung von Trichlorsilan und/oder Siliciumtetrachlorid zu finden, bei welchem sich Aluminiumchlorid und gegebenenfalls Eisentrichlorid problemlos aus dem Reaktionsgas abtrennen läßt.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß unmittelbar hinter der leaktionszone eine Kühlzone eingeschoben wird, die das Reaktionsgas auf eine Temperatur von 40 bis 130° C beim Eintritt in die dem nachfolgenden Kondensationssystem vorgeschalteten Filter abkühlt.

Anhand der Abbildung die eine für die Durchführung des Verfahrens geeignete Anordnung schematisch wiedergibt wird die Erfindung im Einzelnen näher erläutert.

Im unteren Teil 1 des Reaktors wird über einen Einlaßstutzen 2 Chlorwasserstoff beziehungsweise Chlor eingeblasen. Das Gas strömt durch die Siebplatte 3 durch eine aufgewirbelte Schicht 4 von gemahlenem Rohsilicium, welches entsprechend dem Verbrauch durch einen Einlaßstutzen 5 ständig in den oberen Teil 6 des Reaktors nachgegeben wird. An das Unterteil 1 des Reaktors, schließt sich ein abnehmbarer Staubbehälter 7 an, der Feststoffe auf-

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nirmt, die durch die Siebplatte 3 rieseln.

Das Chlor- oder Chlorwasserstoffgas setzt sich mit dem Rohsilicium in der Wirbelschicht 4 zu Siliciumtetrachlorid beziehungsweise Trichlorsilan um. Daneben entstehen eine Reihe anderer gasförmiger Umsetzungsprodukte wie höhere Chloi'silnne und im Falle vom Chlorv/asserstoff als Reaktionsgas natürlich Wasserstoff. Das im Rohsilicium enthaltene Eisen und Aluminium setzt sich zu Eisenchlorid und r^luiiiiniunchlorid um und wird mit dem Reaktionsgas durch den Stutzen 8 ausgefahren. Da die Umsetzung von Chlorv/asserstoff beziehungsweise Chlor bei einer Temperatur von 260 bis 1200 C durchgeführt wird, hat das Reaktionsgas beim Austritt aus dem Reaktor eine Temperatur von mindestens 250° C.

Erfindungsgemäß wird dieses Reaktionsgas nun auf der Strecke zwischen dem Reaktor und dem dem Kondensationssystem vorgeschalteten Filtergehäuse 9 auf eine Temperatur von 40 bis 130° C, vorzugsweise 60 bis 80° C abgekühlt. Hierzu wird bevorzugt ein mit einem Kühlmantel versehenes Rohr 10 verwendet, durch das über die Stutzen 11 und 12 eine geeignete Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser gepumpt wird.

Von großer Bedeutung ist hier die Wahl des richtigen Rohrquerschnitts und die Dimensionierung der Gesamtkühlfläche, da sich bei zu großen Rohrdurchinessern und somit zu langsamer Strömungsgeschwindigkeit, sowie bei zu intensiver Kühlung Staub und Aluminiumchlorid, an der Rohrwandung ablagern würde.

Der Innendurchmesser des Rohres 10 muß deshalt so gewählt werden, daß bei der jeweiligen Anlage eine Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases von 3 bis 30 m/sec, vor-

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zugsv/oiso 6 bis 15 ra/rj-ac grr./ührleistet ist. Die Kühlung wird dabei so eingestellt, daß dar· Reahtion.^gas beim Eintritt in den Einlaßstutzen 13 des Filtergehäuse= 9 eine Temperatur von 40 bis 130^J C, vorzugsweise 60 bis 80 C aufweist. Innerhalb dieses Temperaturintervalles wird man bei hohem AluniniunigeUalt des eingesetzten Rohsiliciums eine höhere und bei niedrigem Aluminiumgehalt eine entsprechend tiefere Temperatur v/ühlen.Khnliches gilt für die Umsetzung mit Chlor, wobei neben dem Aluminiumauch der Eisengehalt beachtet v/erden muß.

Auf dieser Kühlstrecke fällt der größte Teil des Aluminiumchlorids bereits aus. Eine Vereinigung der einzelnen Aluminiumchloridkriställchen wird aber durch den unmittelbar aus dem Reaktor, cß eichgüitig ob Festbett- oder Wirbelschichtreaktor, austretenden Silicium- und Eisenchloridstaub verhindert, so daß sich das Aluniiikiumchlorid nicht an den gekühlten Wandungen des Rohres 10 festsetzen kann, sondern erst in den Filtern 14 des Filtergehäuses 9. Der Staub aus Silicium, Eisenchlorid und Aluminiumclilorid fällt aus den Filtern 14 aufgrund seines Gewichtes ständig in den am Unterteil des Filtergehäuses 9 angebrachten Staubbehälter 15, ein Teil des Staubes fällt dabei auch gleich nach Eintritt in das Filtergehäuse direkt in den Staubbehälter. Gelegentlich wird das Filter aus entgegengesetzter Richtung mit einem Gasstrom frei geblasen. Der Staubbehälter 15 kann leicht durch Kippen entleert v/erden.

Das von Feststoffen befreite Reaktionsgas, das im Falle der Umsetzung von Silicium mit Chlorwasserstoff etwa 45 bis 50 Vol.% Wasserstoff, etwa 45 Vol.% Trichlorsilan, etwa 5 Vol.% Siliciumtetrachlorid und einige Vol.% Chlorwasserstoff enthält, verläßt das Filtergehäuse 9 durch den Gasablaßstutzen 16 und wird in dem daran anschließenden Kondensationssystem in seine Bestandteile zerlegt.

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Das.· Verfahren erlaubt es auf einfache Art Aluminiumch] orid (AlCl, ) und bei der Umsetzung von Silicium mit Chlor auch Eisentrichlorid (FeCl-. ) , v/elches sich ähnlich verhält, auf einfache Weise vor dem Eintritt des Feaktionsgases in das Kondeu.^cjat.io:;Gsys⁴„em v/eitgehcnd quantitativ abzutrennen.

Durch die hAer.ilurch hervorgerufene erhebliche Verlängerung der Standzeiten der Reaktorsysteme kann eine beachtliche Produktivitäts- und Kapasitätssteigerung erreicht werden'.

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Claims

Patentansprüche

1. A/erfahren zur Herstellung von Trichlorsilan und/oder V/ Siliciumtetrachlorid durch Umsetzung von metallischem, aluminiumhaltigem Silicium bei 260 bis 1200° C mit Chlorwasserstoff beziehungsweise Chlor und nachfol-. gender Auftrennung des entstehenden Reaktionsgemisches, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar hinter der Reaktionszone eine Kühlzone eingeschoben wird, die das Reaktionsgas auf eine Temperatur von 40 bis 130° C beim Eintritt in die dem nachfolgenden Kondensationssystem vorgeschalteten Filter abkühlt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Kühlzone ein wassergekühltes Rohr eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet , daß der Rohrquerschnitt so ge wählt wird, daß sich bei vorgegebener Anlage eine Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases im Rohr von 6 bis 15 m/sec einstellt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgas so gekühlt wird, daß es beim Eintritt in die dem nachfolgenden Kondensationcsystem vorgeschalteten Filter eine Temperatur von 60 bis 80° C auf v/eist.

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